節(jié)能減排政策推動(dòng)汽車(chē)輕量化

根據(jù)世界氣象組織(WMO)發(fā)布公報(bào)，2015年全球二氧化碳平均濃度首次達(dá)400ppm，而工業(yè)革命前該數(shù)值僅為280ppm。二氧化碳作為主要的溫室效應(yīng)氣體，其主要來(lái)源是人類活動(dòng)，而在各項(xiàng)人類活動(dòng)中，交通工具二氧化碳排放量占據(jù)了五分之一。

另外從重要的大氣污染物PM2.5來(lái)源來(lái)看，上海市PM2.5來(lái)源中本地污染排放貢獻(xiàn)占64%-84%，平均約為74%左右；本地排放源中，流動(dòng)源占29.2%，工業(yè)生產(chǎn)占28.9%，燃煤占13.5%，揚(yáng)塵占13.4%，另有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生物質(zhì)燃燒、民用生活面源及自然源等其他源類占15.0%。流動(dòng)源指的是車(chē)輛排放，揚(yáng)塵的來(lái)源之一則是汽車(chē)路面行駛。

從1992年制定的歐一，到2014年頒布的歐六，排放標(biāo)準(zhǔn)愈加嚴(yán)厲。中國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)是基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定的，由于國(guó)內(nèi)汽車(chē)工業(yè)起步較晚，開(kāi)始階段較為寬松，近幾年開(kāi)始逐步向歐洲標(biāo)準(zhǔn)跟進(jìn)。達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將不得出售。

圖1 各國(guó)歷年排放標(biāo)準(zhǔn)

再來(lái)看各國(guó)的油耗計(jì)劃，這張圖是每公里二氧化碳排放量，以汽車(chē)內(nèi)燃機(jī)平均燃燒效率計(jì)算，和百公里油耗換算比為22.5:1，即到2020年我國(guó)汽車(chē)百公里平均油耗將降至5.3L以下。

圖2 各國(guó)歷年油耗計(jì)劃

在不影響汽車(chē)性能的情況下降低油耗的方法主要有以下三種：（1）提升內(nèi)燃機(jī)熱效率；（2）降低汽車(chē)行駛過(guò)程中的風(fēng)阻；（3）車(chē)身輕量化。

渦輪增壓技術(shù)大幅提高了內(nèi)燃機(jī)效率，但越接近卡諾定律所規(guī)定熱效率極限，尋求技術(shù)上的突破也就越困難，短期難有能夠大幅提升內(nèi)燃機(jī)燃燒效率的技術(shù)革新。一輛汽車(chē)以80km/h的速度行駛時(shí)，約有60%的阻力源于風(fēng)阻，所以每個(gè)車(chē)型面世前都要經(jīng)過(guò)工程師數(shù)百次修改設(shè)計(jì)和上千小時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)，空氣動(dòng)力學(xué)性能幾乎被壓榨到了極限。而進(jìn)入到21世紀(jì)以來(lái)，新材料不斷面世和材料加工成型工藝的發(fā)展使得汽車(chē)輕量化成為了可能。

據(jù)有關(guān)研究，一般情況下車(chē)重每減輕1kg，則1L的汽油可以使汽車(chē)多行駛0.011km。于此同時(shí)，汽車(chē)減重不僅減少了油耗，也減少了二氧化碳排放量，車(chē)重如能減少一半，二氧化碳排放量就能減少13%。同時(shí)也減少了如氮化物、硫化物等其他有害物質(zhì)的排放量。

              圖4 油耗與汽車(chē)質(zhì)量                       圖5 排放量與汽車(chē)質(zhì)量

以何輕

量產(chǎn)車(chē)輕量化的前提是建立在汽車(chē)的整體品質(zhì)、性能和造價(jià)不變甚至優(yōu)化的基礎(chǔ)之上的，所以即使減配可以有效減輕車(chē)重并提高車(chē)輛性能，也不能作為汽車(chē)輕量化的有效手段，而是要通過(guò)材料、工藝和結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)減重的目標(biāo)。

設(shè)計(jì)能力提升和制造工藝進(jìn)步

汽車(chē)不同部位在行駛過(guò)程中的受力和安全要求不同，工程師針對(duì)不同部位進(jìn)行鋼材差異化的選擇，在力學(xué)性能要求高的部位選用高強(qiáng)度鋼，而非加厚板材，在其他部位選用成本較低的鋼材起到基本的結(jié)構(gòu)和覆蓋功能。這樣即有效控制了成本，又減輕了車(chē)重。現(xiàn)在汽車(chē)生產(chǎn)用鋼通常被分為5-6個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)的搭配使用能使白車(chē)身減重25%，而白車(chē)身又占據(jù)了整車(chē)質(zhì)量的1/4，僅僅該部分的優(yōu)化潛力就可達(dá)上百公斤。

金屬成型方式主要分為鍛造和鑄造兩種，鑄造件容易產(chǎn)生沙眼、氣孔等缺陷，而鍛造件可使材料晶格排列整齊，晶粒細(xì)化，組織更致密，所以一般情況下鍛造件力學(xué)性能要優(yōu)于鑄造件。但汽車(chē)零部件種類繁多，有些零部件形狀復(fù)雜，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，難以采用鍛造工藝。隨著金屬加工成型工藝水平提高，復(fù)雜形狀零部件也開(kāi)始應(yīng)用鍛造工藝。更好地力學(xué)性能也就意味著更薄的結(jié)構(gòu)和更輕的重量。以鋁合金輪轂為例，要達(dá)到相同的力學(xué)性能，一組鑄造輪轂要比鍛造輪轂多出20%的重量。

圖6 鍛造件與鑄造件對(duì)比圖

焊接是車(chē)身裝配過(guò)程中的一道主要工序，車(chē)身底板、車(chē)架、車(chē)頂、車(chē)門(mén)等部分都會(huì)采用焊接工藝。傳統(tǒng)電阻焊是通過(guò)電流形成的電阻熱融化焊件接觸面，通過(guò)壓力使焊件連接的方法，其技術(shù)特點(diǎn)決定了電阻焊在用于板材連接時(shí)需留有翻邊。而新的激光焊工藝可以通過(guò)激光束直接融化需焊接部位，省去了翻邊，減輕了重量的同時(shí)也使外形更美觀，使車(chē)體密封性更好。

圖7 激光焊與電阻焊對(duì)比圖

另外借助CAD、CAE等軟件和有限元模擬，汽車(chē)工程師可以方便的在計(jì)算機(jī)中對(duì)汽車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)和模擬，不必反復(fù)造樣車(chē)拿去撞，然后回爐重新設(shè)計(jì)，大幅提高了設(shè)計(jì)效率，也便于設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)更多可以采取蜂窩、鏤空等輕量化設(shè)計(jì)的部位。

新材料的滲透

汽車(chē)輕量化的升級(jí)過(guò)程中，車(chē)體材料經(jīng)歷了鋼材到鎂、鋁合金再到碳纖維的演變過(guò)程，越好的材料越輕質(zhì)高強(qiáng)。但車(chē)身輕量化并不是新材料對(duì)原有材料的簡(jiǎn)單替代過(guò)程，簡(jiǎn)而言之，汽車(chē)生產(chǎn)廠商是要盈利的，成本和性能的權(quán)衡也就成了量產(chǎn)車(chē)設(shè)計(jì)的主旋律。

一種材料如果能大規(guī)模的應(yīng)用在量產(chǎn)車(chē)上，必然有生產(chǎn)規(guī)模化、品質(zhì)穩(wěn)定、成本可控，加工性能優(yōu)越的特點(diǎn)。鋁合金和鎂合金具有密度低、抗沖擊性能好、加工性能優(yōu)良等特點(diǎn)，開(kāi)始逐步替代汽車(chē)用鋼材。以車(chē)身底盤(pán)零部件為例，鋁合金應(yīng)用在前后轉(zhuǎn)向節(jié)中可使重量減輕40%，而鎂合金用于車(chē)輪轂則可減重30%。

                圖8 單車(chē)用鋁量                        圖9單車(chē)用鎂量

當(dāng)前汽車(chē)用材中鋼鐵比重較大，其中絕大多數(shù)鋼制零部件都可用鋁、鎂合金代替，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、輪轂、熱交換器、車(chē)身、轉(zhuǎn)向軸、變速器支架、懸架等。目前鋁合金在變速箱、輪轂、熱交換器領(lǐng)域滲透率較高，部分整車(chē)廠如捷豹等已經(jīng)開(kāi)始嘗試大批量生產(chǎn)全鋁車(chē)身，減重效果明顯。而鎂合金性能上雖然更優(yōu)于鋁合金，但由于其成本和表面處理工藝的復(fù)雜性，在汽車(chē)中應(yīng)用仍受到極大限制。但隨著各界在鎂合金應(yīng)用推廣上不斷的努力，未來(lái)汽車(chē)用鎂量年均增長(zhǎng)率將超過(guò)20%。

以碳纖維和玻璃纖維作為增強(qiáng)體的復(fù)合材料憑借其高強(qiáng)度、高彈性模量和遠(yuǎn)低于鋼材和鋁材的重量成為未來(lái)最理想的汽車(chē)輕量化材料。其比重不足鋼材的1/4，僅有鋁合金的1/2，而抗拉強(qiáng)度卻能達(dá)到鋼材的7-9倍。目前推廣車(chē)用碳纖維最積極的廠商莫過(guò)于寶馬，保守估計(jì)它的車(chē)用碳纖維產(chǎn)能占全球總產(chǎn)能50%以上，在寶馬7系、i3等車(chē)型上均能看到其身影。但由于其生產(chǎn)工藝尚不成熟，成本過(guò)高，目前在量產(chǎn)車(chē)中的應(yīng)用還處于初步階段，但相信不久后，這項(xiàng)應(yīng)用一定會(huì)邁向成熟，普及推廣。